几种高带宽数字视频接口的发展及应用(图)

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随着人们对图像显示质量要求的不断提升,传统的以模拟方式来传输和显示多媒体信号的技术已经不能满足人们的要求,广播电视行业数字化和数字电视的整体转换的实施、数字化、网络化、光纤化是IT行业的发展趋势。以高清数字电视为代表的消费类数字视频设备的应用越来越普遍,传统的模拟视频接口标准无法适应新的产品在带宽、内容保护、音频支持等方面的发展需求,使得HDMI、UDI和DisplayPort等新标准显得更能适应市场的需求,本文从传统模拟视频接口开始,简要介绍几种数字视频接口技术及标准,并重点介绍HDMI和DisplayPort两种数字视频接口。

模拟视频接口的发展


在我国,最简单、最原始、使用最广泛的视频接口是复合视频信号(CVBS、A/V)接口,就是通常所称的RCA接口,伴随着S-VHS摄录像机、VCD等激光视盘产品,出现了将亮度信号Y和色度信号C分离的S端子(Y/C、S-Video)接口,伴随着DVD、卫星数字电视机顶盒(IRD)出现了模拟分量视频信号(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y)接口;而在PC通信领域,出现了通用接口D-SUB( 9芯)端口,也就是通常所说的VGA端子。

DVI、HDMI和UDI标准及应用


1 DVI标准


DVI全称为Digital Visual Interface,它是由数字显示工作组DDWG(Digital Display Working Group)于1999年4月推出的开展PC和VGA显示器间连接的传输非压缩实时视频接口标准。它基于TMDS(最小化传输差分信号)技术来传输数字信号,如图1所示。

图1 Single-link TMDS连接图


TMDS包括3个RGB数据和1个时钟,共计4个通道(称为1个TMDS连接或Single-link)的传输回路。TMDS是把8位的RGB视频数据变换成10位转换最小化、DC平衡的数据,再完成数据的串行处理;接收端设备对串行数据解串行变成并行数据,再转换成8位视频信号。因此,传输数字RGB数据需要3个转换最小化差分采样信号构成一个TMDS连接。每个通道提供165MHz带宽,1个10位的TMDS传输通道速率达1.65Gb/s,3个TMDS通道速率达4.95Gb/s。若采用dual-1ink连接方式,其带宽可达330MHz,传输速率可达9.9Gb/s,支持1600×1200@85Hz的UXGA或2048×1536@75Hz的QXGA图像以及720p、1080i、1080p的HDTV视频信号的无压缩实时传输。


DVI由于其连接头的体积偏大,不兼容音频信号,传输距离只有5~7m等不足,被HDMI接口所取代,DVI 1.0以后的版本已基本上不再研发了。


2 HDMI标准


2002年4月,HDMI (High Definition Multimedia Interface)工作组开发出HDMI(高清晰度多媒体接口)标准,改进了DVI标准的不足,图2为HDMI原理图。

图2 DVI/HDMI/UDI发送、接收系统的基本结构传输示意图(TMDS)


HDMI是DVI标准的升级和增强版,支持音频信号,可以简单理解为:DVI+音频=HDMI。HDMI接口小巧(与USB相当),传输的线缆长度15m,HDMI向下兼容DVI;HDMI支持VESA组织的HDCP(高带宽数字内容保护),避免内容非法拷贝,同时还支持VESA组织的EDID(扩展显示识别数据)、DDC(显示数据通道,用以读出EDID)及DMT(监视同步协议)。


HDMI也采用TMDS编码方式,TMDS具备RGB或 YPbPr色彩数据和时钟,共4个通道(称为1个连接)的系列传输回路,1个通道带宽165MHz(4.95 Gb/s)。显示数据信道(DDC)是用于读取表示接收侧清晰度等显示能力的扩展显示标识数据(EDID)的信号线。搭载HDCP的发送接收设备之间也利用DDC线进行密码键的认证。这是一个使用了硬件ID的加密系统,发送侧和接收侧以一定间隔相互确认进行传输。HDMI搭载了认证不成立或者中途不成立时图像和音频信号传输立即被中断的强大内容保护技术。


从图2可知,发送器分别将视频、音频信号变换并合成为接收器可接收的信号格式。然后,进行HDCP加密处理以及TMDS编码,将并行视频、音频等数据行串行化处理,以最小化差分信号形式进行传输。在接收侧进行的处理与发送侧顺序相反。


HDMI 1.3以前版本单连接通道带宽165MHz(4.95Gb/s),与DVI一样,但可传输1~8组非压缩音频,支持48/96/192kHz等多种采样音频频率。为了适应技术的发展和市场的需求,2006年6月公布了最新版的HDMI1.3标准,它具有高传输带宽(10.2 Gb/s)、“深色 (Deep Color) ”和“xvYCC”色彩等强大功能时,随着视频分辨率从标清到高清的演化,视频带宽的不断增加将是大势所趋,会出现更多的具备HDMI 1.3接口的电子产品。毫无疑问,HDMI 1.3将在2007年迎来应用的高峰。HDMI 1.3拥有以下全新的功能。


● 带宽更宽(速率更高):HDMI 1.3将其单带宽从165MHz(4.95Gb/s)提高到340MHz(10.2Gb/s),完全支持高清显示设备的需要。


● 深色:支持30位、36位和48位(RGB或YCbCr)色深,1.3之前HDMI规范版本的色深最高为24位。


● 色彩空间更宽:HDMI 1.3完全除去了色彩选择的所有限制:下一代“xvYCC”色彩空间是现有HDTV信号的1.8倍;使HDTV显示色彩更精确;使显示器的色彩更加自然、逼真。


● 新型迷你接口:随着HD摄录一体机和数码照相机等小型便携式设备需要HDTV的无缝连通性,HDMI 1.3提供新型、更小的波形因数接口选项。


● 唇型同步: HDMI1.3加入了自动音频与视频同步的功能,使设备能自动地精确实现了唇音的同步。


● 新型无损音频格式:除HDMI支持高带宽的不压缩数字音频和所有现有的压缩格式的现有性能外,HDMI 1.3还新增了对新型无损压缩数字音频格式Dolby True HD和DTS-HD Master Audio的支持。


3 UDI标准


UDI (Unified Display Interface),即统一显示接口,它是兼容高清晰电视信号的PC的数字显示接口标准,2006年7月由SIG(Special Interest Group,特殊利益集团)制定的UDI Revision  1.0a正式公布。UDI采用的TMDS编码技术和内容保护机制均与DVI和HDMI相同,兼容DVI与HDMI接口,目前采用TMDS技术的接口标准出现了三足鼎立之势。一个数据通道最大可传输    2.7Gb/s,三个通道拥有8.1Gb/s的传输速率,可对RGB格式的色阶最大调高至12位的36位彩色全高清(1920×1080像素,60帧/秒)视频信号传输。UDI与DVI一样,不支持音频信号数据传输,UDI无须专利费,但需支付最初的授权费。


4 DVI、HDMI、UDI的简单比较与应用前景


UDI与DVI都不支持音频传输,UDI的带宽比DVI稍高一些,被PC业界视为DVI的后续标准,主要应用于PC的视频显示接口。HDMI支持音频信号、亮度色差信号(YPbPr),不仅能应用于视频显示接口,而且是面向消费电子的高速多媒体较理想接口,如高清DVD播放器、数字电视机顶盒、LCD、DLP、PDP、高清CRT等大画面高清晰度显示设备之间连接,构建具有高清晰度电视图像和多声道音频的下一代家庭影院。


DisplayPort标准及应用前景


2006年5月,VESA(Video Electronics Standards Association, 国际视频电子标准协会)批准了旨在应用于PC、监视器、电视以及投影仪等的DisplayPort1.0显示接口标准。DisplayPort(简称DP)主要由主链路、辅助通道和热插拔信号检测(HPD)三部分组成,如图3所示。主链路是一条高带宽、低延时的单向传输链路,用于传输无压缩的视频、音频流;辅助通道是一条1Mb/s带宽、低延迟双向通道,用于传输状态信息、控制命令等,并提供主链路管理及设备控制;热插拔信号则实现了终端设备(Sink Device)中断请求。

图3 DisplayPort接口的传输层架构


主链路由4条线路(Lane)组成,每一条支持2.7Gb/s或1.62Gb/s两种传输速率,4条可以实现10.8Gb/s,在相同的线路数下DisplayPort比DVI快  2.2倍。 因此DisplayPort可以满足各种多媒体、特别是视频应用的需求任何色深(Color Depth)、解析度和画面刷新频率(Rate)都可以自由转换。DisplayPort没有单独的时钟通道,主链路上采用的是ANXI 8B/10B编码,时钟信号是从数据流中提取出来的。这个区别于DVI和HDMI的特点,大大降低了DisplayPort产品EMI设计的难度。而辅助通道由一对交流耦合差分线组成的双向、半双工通道,所有的通信都必须由源端设备发起,终端设备也可以通过热插拔信号来提出通信请求。辅助通道在15m的传输距离上提供1Mb/s的传输速率,对传输延时要求严格,通信必须在500μs内完成。因有热插拨信号检测,故支持设备的即插即用、热插拨功能。


DisplayPort除了高带宽优势外,还有以下优势。


● 微封包传输(Micro-Packet Architecture)架构传输:在主链路上,所有的视频、音频数据流都被打包为微封包(由64个码组成)。同时,微封包架构可以在同一条线路内传输多组视频,而DVI、HDMI、UDI采用的交换式传输就限定一条链路只能传输一组视频。此外,这种架构很容易地在现有传输中追加新的协定内容,如内容防拷协定等。


● DPCP,即DP内容防复制保护:微封包架构可弹性追加传输协议,DPCP采用经改进的新型的防复制保护机制,利用AES型高速128位内容加密,没有选用HDCP规范中使用的40位密钥。


● DisplayPort是一种开放式数字显示接口标准,无须专利费,可降低设备的成本。


基于DisplayPort主链路可传输带音频的未经压缩的视频流,它的扩展性支持多视频或音频流,还提供1Mb/s、低延迟和双向的辅助通道,适合于互动、对话等应用,支持即插即用,能够支持收看高清电视、录像和其他受保护的内容,不仅可以取代DVI/HDMI,还可取代LVDS,应用前景十分广阔。

总结


DisplayPort的传输速率、安全性、开放性、可扩展性比其他的视频接口优势明显,是个理想的数字多媒体接口,其特性符合了PC和消费类电子领域对数字多媒体接口的要求。但DisplayPort与DVI、HDMI、UDI不兼容,DP的应用前景有待于市场的检验。HDMI是以DVI为基础,可以传输数字音频信号,也是一种比较优秀的消费电子产品接口,HDMI发展迅速,正逐渐取代DVI。UDI与DisplayPort因无须专利费,在PC应用领域双方目标一致:外部替换VGA,内部替换LVDS。它们之间的比较如表1所示。

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